В 1915 году Николай Вавилов начал заниматься изучением иммунитета растений. Изданная в 1919 году монография «Иммунитет растений к инфекционным заболеваниям» содержала критический анализ мировой литературы и результаты собственных исследований.
Из-за дефекта зрения (в детстве он повредил глаз) Вавилов был освобождён от военной службы, но в 1916 году его привлекли в качестве консультанта по вопросу массового заболевания солдат русской армии в Персии. Он выяснил причину заболевания, указав на то, что в местную муку попадают частицы семян плевела опьяняющего, а с ним гриб Stromatinia temulenta, который вырабатывает алкалоид темулин – вещество, способное вызвать серьёзное отравление с возможным летальным исходом. Решением проблемы стал запрет на употребление местных продуктов, провизию стали завозить из России, в результате чего болезнь была остановлена.
Н. И. Вавилов, получив у военного руководства разрешение на проведение экспедиции, отправился вглубь Ирана, где занимался исследованием и сбором образцов злаков. Учёный пришёл к выводу, что иммунитет растений зависит от условий среды, в которой изначально формировался данный вид. зародились мысли о закономерности наследственной изменчивости. Он проследил изменения видов ржи и пшеницы от Ирана до Памира В результате он сделал вывод, что горные «изоляторы» вроде Памира служат очагами зарождения культурных растений.
В 1917 году Николай Иванович был избран помощником Р. Э. Регеля, заведующего Отделом прикладной ботаники, который признался, что: «… в лице Вавилова мы привлечём в отдел прикладной ботаники молодого талантливого учёного, которым ещё будет гордиться русская наука». В том же году Н. И. Вавилов был приглашён возглавить кафедру генетики, селекции и частного земледелия саратовских Высших сельскохозяйственных курсов и в июле переехал в Саратов, где до 1921 года он был профессором агрономического факультета Саратовского университета. Наряду с чтением лекций учёный развернул экспериментальное изучение иммунитета различных сельскохозяйственных растений, в первую очередь хлебных злаков. Им было исследовано 650 сортов пшеницы и 350 сортов овса, а также другие, незлаковые, культуры; проведён гибридологический анализ иммунных и поражаемых сортов, выявлены их анатомические и физиологические особенности. Он начал обобщать данные, накопленные во время экспедиций и исследований. В 1919 году Н. И. Вавилов создал учение об иммунитете растений, раскрытого в изданной монографии «Иммунитет растений к инфекционным заболеваниям».
В 1920 году Николай Иванович возглавляя оргкомитет III Всероссийского съезда по селекции и семеноводству в Саратове, выступил на нём с докладом «Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости». Доклад был воспринят слушателями как крупнейшее событие в мировой биологической науке.
В годы преподавания в Саратове он организовал изучение юго-восточных губерний европейской России (Астраханской, Царицынской, Самарской и Саратовской), послужившее основой для опубликования в 1922 году его книги «Полевые культуры Юго-Востока».
В 1920-е годы, по инициативе Николая Ивановича, была создана Народным комиссариатом земледелия РСФСР сеть опытных селекционных станций, явившихся отделениями Государственного института опытной агрономии. В 115 отделениях и опытных станциях, в различных почвенно-климатических условиях СССР – от субтропиков до тундры и заполярного края – шло изучение и испытание разных форм полезных растений.
